某船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥箱數(shù)值模擬

龔慶慶

[摘要]船用汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)主要是依靠調(diào)節(jié)進(jìn)入汽輪機(jī)進(jìn)口噴嘴的蒸氣流量來實(shí)現(xiàn)的，而汽輪機(jī)進(jìn)口噴嘴的流量又取決于安裝在汽輪機(jī)進(jìn)口處的調(diào)節(jié)閥箱?？梢哉f，調(diào)節(jié)閥箱是船用汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)不可或缺的重要組成部分。本文主要針對(duì)某一船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閣箱，采用ANSYS商業(yè)軟件包中的ICEM網(wǎng)格生成器生成非結(jié)構(gòu)化計(jì)算網(wǎng)格，并利用ANSYS商業(yè)軟件包中的CF～求解器進(jìn)行求解計(jì)算。通過數(shù)值計(jì)算得到了某船用調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部的三維流場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上對(duì)調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部損失機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析并提出了改進(jìn)建議。

[關(guān)鍵詞]船用汽輪機(jī)；調(diào)節(jié)閥箱；數(shù)值模擬

船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥是船用汽輪機(jī)的重要組成部分，其內(nèi)部流動(dòng)比較復(fù)雜，損失也比較大，近年來也受到了各界學(xué)者的關(guān)注。德國(guó)SiemensKWU公司對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了大量研究，在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)性能優(yōu)化改進(jìn)方面積累了非常有益的經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)GE公司也對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了應(yīng)用研究，并自主開發(fā)了調(diào)節(jié)閥專用計(jì)算軟件NOVAK3D。在此基礎(chǔ)上，對(duì)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥采用相應(yīng)的改進(jìn)方案使得調(diào)節(jié)閥總壓損失降低30%，取得了良好效果。國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)黃慶華對(duì)某電站汽輪機(jī)的主蒸氣調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，選取了主蒸氣閥門幾個(gè)關(guān)鍵的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)來考察閥門氣動(dòng)性能影響的音速，并據(jù)此對(duì)閥門通流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了一定成效。西安交通大學(xué)李思琦對(duì)艦用汽輪機(jī)的進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥箱進(jìn)行了大量研究。在整個(gè)研究過程中，采用“空度”的概念來處理調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部的閥碟和閥桿等固體區(qū)域，計(jì)算采用PHOENICS流體計(jì)算軟件，得到了調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部流場(chǎng)詳細(xì)情況。將數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比之后發(fā)現(xiàn)，兩者吻合較好。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所徐克鵬等人對(duì)某電站汽輪機(jī)的主蒸氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了數(shù)值模擬和相應(yīng)的試驗(yàn)研究，詳細(xì)地分析了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)損失機(jī)理。大連理工大學(xué)周子筠采用商業(yè)軟件STAR-CD對(duì)某電站輔助汽輪機(jī)頭部（包含主蒸氣閥、蒸氣調(diào)節(jié)閥和進(jìn)口調(diào)節(jié)級(jí)在內(nèi)等結(jié)構(gòu)1進(jìn)行了數(shù)值研究，詳細(xì)分析了汽輪機(jī)頭部的內(nèi)部流場(chǎng)及損失情況，并在此基礎(chǔ)上提出了汽輪機(jī)頭部?jī)?yōu)化改進(jìn)的方法和建議。由于船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，國(guó)外對(duì)船用調(diào)節(jié)閥的研究工作到目前為止主要是由各汽輪機(jī)生產(chǎn)廠獨(dú)立進(jìn)行，國(guó)內(nèi)的研究則主要集中在電站汽輪機(jī)，在船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥方面的研究相對(duì)較少。

1計(jì)算模型

1.1幾何模型

船用調(diào)節(jié)閥箱往往由若干個(gè)調(diào)節(jié)閥組成，反過來這些調(diào)節(jié)閥通過螺栓連接并固定安裝在調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)。艦船汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥箱通常安裝在高壓缸高壓汽輪機(jī)第一級(jí)前和低壓缸倒車汽輪機(jī)級(jí)第一級(jí)前。

圖1為某船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥箱幾何結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看到，某船用調(diào)節(jié)閥箱具有+調(diào)節(jié)閥，分別對(duì)應(yīng)三個(gè)調(diào)節(jié)閥出口，分別為Ⅰ號(hào)調(diào)節(jié)閥出口、Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥出口和Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥出口。

這三個(gè)調(diào)節(jié)閥分別控制不同的汽輪機(jī)進(jìn)口噴嘴弧段。艦船汽輪機(jī)就是通過這三個(gè)調(diào)節(jié)閥來控制流入汽輪機(jī)的流量，從而實(shí)現(xiàn)噴嘴調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)閥箱兩側(cè)為蒸氣入口，中間三個(gè)孔為三個(gè)調(diào)節(jié)閥閥芯安裝孔位。在調(diào)節(jié)閥箱兩側(cè)還有連個(gè)對(duì)稱的調(diào)節(jié)閥進(jìn)口，分別為1號(hào)進(jìn)口和2號(hào)進(jìn)口。

由于船用汽輪機(jī)工作工況的不同，對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)閥箱各個(gè)閥門開度也是不同的。本文主要選擇船用汽輪機(jī)額定工況即閥箱調(diào)節(jié)閥全開狀態(tài)來進(jìn)行分析和計(jì)算。

1.2網(wǎng)格模型

圖2為某船用調(diào)節(jié)閥箱計(jì)算模型。為了能讓湍流充分發(fā)展以及使調(diào)節(jié)閥出口氣流達(dá)到穩(wěn)定，調(diào)節(jié)閥箱三個(gè)出口段截取長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)。同時(shí)在三個(gè)調(diào)節(jié)閥閥芯位置有三個(gè)孔，這是閥芯的固體區(qū)域，在數(shù)值計(jì)算時(shí)是沒有流體通過的。

圖4為調(diào)節(jié)閥箱網(wǎng)格模型。網(wǎng)格生成采用ANSYS/ICEM商業(yè)軟件，最終生成的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為170萬(wàn)左右，網(wǎng)格單元總數(shù)為644萬(wàn)左右。由于船用調(diào)節(jié)閥箱幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了能使網(wǎng)格快速生成，主流區(qū)域采用了四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。圖5和圖6為固體壁面附近網(wǎng)格，固體壁面附近網(wǎng)格采用棱柱體化網(wǎng)格，近壁面網(wǎng)格層數(shù)為6層。

2數(shù)值方法

2.1控制方程

計(jì)算采用ANSYS/CFX商用軟件。ANSYS/CFX是基于有限體積法采用全隱式網(wǎng)格耦合求解技術(shù)，具有較好的穩(wěn)定性。

在ANSYS商業(yè)軟件CFX求解器中，在絕對(duì)坐標(biāo)系下，微分形式的連續(xù)、動(dòng)量和能量方程分別為：

式中：T₀=273.15K；μ₀為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下0℃時(shí)氣體的動(dòng)力粘性系數(shù)；T_s為薩瑟蘭常數(shù)，與氣體性質(zhì)有關(guān)。

考慮微分形式的連續(xù)、動(dòng)量和能量方程，對(duì)一個(gè)明確的控制體進(jìn)行積分，便可得到積分形式的連續(xù)、動(dòng)量和能量方程：

式中：V表示控制體的體積；S表示控制體的表面積；dn_j表示垂直控制體表面并指向外側(cè)的法向量。

2.2湍流模型

CFX求解器提供的渦粘湍流模型有：k-ε、RNGk-ε、k-ω、BSL k-ω和SSTk-ω等湍流模型。本文采用的湍流模型為RNGk-ε湍流模型。

RNGk-ε湍流模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型相似。在RNG k-ε湍流模型中，主要是通過在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的粘性項(xiàng)中來反應(yīng)小尺度的影響，這可以系統(tǒng)地從控制方程中去掉小尺度運(yùn)動(dòng)。所得到的RNGk-ε湍流模型的k方程和ε方程如下：

其中，16

當(dāng)Reynolds數(shù)Re_y≥2000時(shí)，采用上述RNG k-ε湍流模型中的k和ε方程來求解：當(dāng)Reynolds數(shù)Re_y<2000時(shí)，則使用Woffshtein一方程模型來近似求解近壁區(qū)的湍流流動(dòng)，其中動(dòng)量方程和湍動(dòng)能k方程仍使用上述RNGk-ε湍流模型中計(jì)算式，但是湍流動(dòng)力粘性系數(shù)和湍流的耗散率需使用如下公式計(jì)算：

反映壁面對(duì)湍流的影響的長(zhǎng)度尺度參數(shù)l_μ、l_e可使用如下計(jì)算公式：

2.3邊界條件

本文計(jì)算主要采用的邊界條件如下：

人口邊界：進(jìn)口給定來自鍋爐的新鮮蒸氣的總溫總壓，氣流速度方向垂直于進(jìn)口平面。

出口邊界：給定各個(gè)閥門出口的質(zhì)量流量；

固體壁面：網(wǎng)格無滑移，絕熱壁面。

計(jì)算工質(zhì)：采用理想蒸氣。

各個(gè)調(diào)節(jié)閥開度是固定的，并且是全開狀態(tài)。

3數(shù)值分析

3.1流動(dòng)分析

計(jì)算得到的某船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥內(nèi)的三維流線圖如圖7所示。從圖中可以看到，Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥較大，通過的流體較多，其它兩個(gè)調(diào)節(jié)閥較小，流過的流體較少，并目氣流在通過各個(gè)調(diào)節(jié)閥時(shí)產(chǎn)生了旋流。從流動(dòng)速度上看，主要流動(dòng)區(qū)域的蒸氣氣流動(dòng)速度并不是很大，大約在100m/s左右。氣流速度較大的區(qū)域主要集中在調(diào)節(jié)閥閥碟位置處，最大速度達(dá)到了750m/s，并沒有形成激波或達(dá)到臨界。這是因?yàn)殚y碟在此處位置閥門開度較小，形成了節(jié)流作用，使得氣流通過的截面積下降，從而導(dǎo)致氣流內(nèi)能（氣流為從鍋爐出來的新鮮蒸氣，具有較高的壓力和溫度）轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，速度急劇上升，結(jié)果是流體沿著閥碟下部通道噴射而出。這就使得流場(chǎng)分布十分不均勻，使得調(diào)節(jié)閥箱產(chǎn)生了較大的節(jié)流損失。從圖中流線的分布可以看到，主要損失有三部分：一是。氣流通過各個(gè)閥門的節(jié)流損失；二是。氣流繞過Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥閥芯的阻力損失；三是，從兩人口進(jìn)來的氣流在Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥閥芯位置產(chǎn)生的氣流摻混損失?？偟膩碚f，這三部分損失大小可以估計(jì)為：節(jié)流損失>摻混損失>繞流損失。

圖8為Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流線局部放大圖。從圖中可以看到，Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥流動(dòng)主要是繞流，氣流繞過Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入到Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥，而直接通過Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入到汽輪機(jī)的流體較少，其主要原因也是Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥閥體直徑小，節(jié)流作用大。圖9為Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流線局部放大圖。從圖中可以看到，來自兩側(cè)Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥的繞流，在Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥位置匯合并摻混，最后一并進(jìn)入到Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥。從圖中可以看到，來自I號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥的繞流，在Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥位置處有分界但不明顯，流線又比較雜亂，由此不難推斷此處有較大的摻混損失。

從整體上看，很明顯Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥的節(jié)流作用要大于Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥，同時(shí)還可以看到，氣流在流經(jīng)Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥時(shí)有明顯的偏轉(zhuǎn)作用。氣流速度最大的位置主要在閥座位置處，原因是閥座是整個(gè)調(diào)節(jié)閥喉道面積最小的區(qū)域。

圖10為Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥水平中分面流線圖。從圖中可以明顯看-到氣流繞過Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥閥芯，當(dāng)氣流達(dá)到閥芯兩側(cè)頂點(diǎn)（+90°）附近就離開了壁面，并且分離后的流體在閥芯下游形成了近似對(duì)稱的固定不動(dòng)的漩渦（又稱附著渦）。圖11為Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥水平中分面流線圖。來自Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥的繞流在Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥位置發(fā)生碰撞，形成了明顯的交界面。碰撞后的氣流也沒有立即摻混，而是折返形成了兩對(duì)互不交融的漩渦，經(jīng)過旋流最后才摻混到一起進(jìn)入Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥。

3，2壓力損失

調(diào)節(jié)閥箱垂直中分面總壓分布云圖如圖12所示。從圖中可以看到，三個(gè)調(diào)節(jié)閥經(jīng)過強(qiáng)烈的節(jié)流之后，閥門出口前后產(chǎn)生了較大的壓差。其中Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失較大，Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失相對(duì)小一些，這和前面的分析是一致的。根據(jù)計(jì)算，Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥的進(jìn)、出口的壓差分別為1.94MPa、2.02MPa、1.18MPa。

調(diào)節(jié)閥總壓損失系數(shù)的定義公式為：

式中：p_tol，in表示調(diào)節(jié)閥箱進(jìn)口處的總壓，單位為Pa；p_tol表示調(diào)節(jié)閥箱某測(cè)點(diǎn)處的總壓，單位為Pa；ρ_in表示調(diào)節(jié)閥箱進(jìn)口處的氣流密度，單位為kg/m³；V表示調(diào)節(jié)閥箱進(jìn)口處的氣流速度，單位為m/s。

圖13為調(diào)節(jié)閥箱總壓損失系數(shù)分布圖。圖14為Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥總壓損失系數(shù)分布局部放大圖。圖15為Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥總壓損失系數(shù)分布局部放大圖。從圖中可以清晰地看到，調(diào)節(jié)閥最大總壓損失發(fā)生的地方在I號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥閥碟下方，總壓損失系數(shù)達(dá)0.84，主要為節(jié)流損失。而閥箱的沿程阻力損失僅1.5×10^-4。氣流通過閥座喉部進(jìn)入出口段，在很長(zhǎng)一段距離內(nèi)還發(fā)生了明顯的摻混，有很長(zhǎng)的“彗尾”，表現(xiàn)為總壓損失系數(shù)由不均勻逐漸變?yōu)榫鶆颍@和圖7閥箱內(nèi)流線圖所觀察到的結(jié)果是一致的。

調(diào)節(jié)閥箱垂直中分面總溫分布云圖如圖16所示。從圖中可以看到，盡管高溫高壓蒸氣經(jīng)過各個(gè)調(diào)節(jié)閥節(jié)流后，總溫并沒有下降。這表明蒸氣的內(nèi)能和比焓并沒有因?yàn)楦髡{(diào)節(jié)閥的節(jié)流而改變。各調(diào)節(jié)閥節(jié)流對(duì)蒸氣影響最大的是壓力。

3.3速度損失

圖17為Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥喉部位置馬赫數(shù)分布云圖。從圖中可以看到，氣流在經(jīng)過調(diào)節(jié)閥的節(jié)流后，馬赫數(shù)由0.1變化到1.043，但很快又降到亞音速以下，并回落至0.1左右。在較短的流程內(nèi)流動(dòng)速度變化比較劇烈。盡管氣流在閥座喉部附件發(fā)生了局部超音速，但通道內(nèi)沒有發(fā)生激波。從速度云圖上可以看到，從喉部出來的蒸氣流體主要匯聚于閥碟下部區(qū)域，并沒有立即充滿整個(gè)流道，而是產(chǎn)生了回流區(qū)，形成了“空穴”流動(dòng)。

圖18為Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥喉部位置馬赫數(shù)分布云圖。從圖中可以看到，氣流在經(jīng)過調(diào)節(jié)閥的節(jié)流后，氣流馬赫數(shù)由0.1上升到1.173左右。和I號(hào)、Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥—樣，速度很陜又回落到0.1馬赫數(shù)左右。在喉部位置區(qū)域，存在局部超音速流動(dòng)，但沒有出現(xiàn)激波。和Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥相反，從Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥喉部出來的流體并沒有匯聚于閥碟下部區(qū)域，而是緊貼出口段壁面。在閥碟下部中間區(qū)域，可以明顯看到被低速流體占據(jù)，并且在較大范圍內(nèi)存在回流，形成很大的“空穴”。

4結(jié)論

1）船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)的損失主要包括局部阻力損失、沿程損失、摻混損失以及調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失。其中沿程損失較小，可以忽略不計(jì)。由于閥芯較小，局部阻力損失也不大。在閥芯與閥座共同決定的喉部區(qū)域，調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失較大。由于調(diào)節(jié)閥箱設(shè)置了兩個(gè)人口，在蒸氣流人Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥時(shí)，還產(chǎn)生了摻混損失。

2）閥碟和閥座形成的喉部區(qū)域是船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部總壓損失主要發(fā)生位置，此處各調(diào)節(jié)閥處于強(qiáng)烈的節(jié)流狀態(tài)。蒸氣通過調(diào)節(jié)閥后，由于受到節(jié)流作用，總壓出現(xiàn)了明顯的下降，但由于節(jié)流前后內(nèi)能不變，總溫和比焓保持不變。

3）蒸氣快速流過調(diào)節(jié)閥喉部后，匯集在靠近閥座壁面的區(qū)域或出口段壁面處，這樣就在出口段形成了較大的回流區(qū)，產(chǎn)生了氣流“空穴”。對(duì)于這樣的問題，可以考慮采用實(shí)體部分來填充空“穴區(qū)”區(qū)域的辦法來消除“空穴”區(qū)對(duì)閥門激振等不利影響。

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